基于灰度预测和Lasso回归模型的长三角地区碳达峰碳中和时间的预测

Prediction of Carbon Peak and Carbon Neutrality Time in the Yangtze River Delta Region Based on Grey Prediction and Lasso Regression Model

摘要: 本文从政策以及能源消费结构探讨新能源汽车发展与双碳关系的关系，得出新能源汽车对双碳具有推进作用。为了预测长三角地区碳达峰碳中和的时间到来，本文首先采用灰度预测模型，对新能源汽车市场保有量、销量、充电桩数量分别进行未来25年的数据预测，再用Lasso回归模型，得出长三角地区碳排放数据与三者之间的线性关系，最后将未来25年数据代入得到碳排放未来25年数据，得出长三角地区的碳达峰碳中和的时间。

Abstract: This article explores the relationship between the development of new energy vehicles and dual carbon from the perspective of policies and energy consumption structure, and concludes that new energy vehicles have a promoting effect on dual carbon. In order to predict the time of carbon peak and carbon neutrality in the Yangtze River Delta, this paper first uses the grey prediction model to predict the data of the new energy vehicle market holdings, sales, and the number of Charging sta-tion in the next 25 years, then uses Lasso regression model to obtain the linear relationship be-tween the carbon emission data in the Yangtze River Delta and the three, and finally uses the data of the next 25 years to get the data of carbon emissions in the next 25 years, Determine the time when carbon reaches its peak and carbon neutrality in the Yangtze River Delta region.

1. 引言

双碳，即碳达峰与碳中和的简称。我国力争在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和 [1] 。

我国通过能源消费产生的二氧化碳排放占二氧化碳总排放量的80%以上、全部温室气体排放的70%左右，随着大量新能源的开发和使用，电能可以代替终端对化石能源的直接使用，减少了终端的直接碳排放，促成了终端碳排放的显著降低 [2] 。

长三角地区要实现双碳目标，面临着许多困难，比如自然资源的劣势，国土资源紧张等。长三角地区得着力发展区域发展的“绿值”，并且要创新低碳发展路径 [3] 。新能源汽车的发展是对双碳目标的实现具有积极推动作用的，因此长三角地区对新能源汽车的发展不可忽视。

我们从政策以及能源消费结构探讨新能源汽车发展与双碳关系的关系，得出新能源汽车对双碳具有推进作用。为了预测长三角地区碳达峰碳中和的时间到来，我们首先采用灰度预测模型，对新能源汽车市场保有量、销量、充电桩数量分别进行未来25年的数据预测，再用Lasso回归模型，得出长三角地区碳排放数据与三者之间的线性关系，最后将未来25年数据代入得到碳排放未来25年数据，得出长三角地区的碳达峰以及碳中和的时间。

2. 新能源汽车发展与双碳的关系

在巨大的经济体量下，我国仍处在工业化发展进程中，能源消费和碳排放之间关系紧密，因此实现双碳目标需要从能源替代入手，推动新能源的应用。在双碳目标的引领下，新能源汽车将加快替代传统燃油汽车，从而优化能源消费结构，助推双碳目标的实现 [4] 。

双碳政策不断推动着新能源汽车发展，国家从政策层面大力支持新能源汽车产业发展，新能源汽车市场初具规模，新能源汽车市场的扩大也驱动着新能源汽车产业继续快速发展。双碳目标是国家层面的战略目标，为新能源汽车发展带来了巨大的机遇，新能源汽车将实现在获得经济效益的同时实现高质量的绿色发展。如图1为1997~2019年长三角地区的碳排放量。

Figure 1. Carbon emissions in the Yangtze River Delta region from 1997 to 2019

图1. 1997~2019年长三角地区碳排放量

3. Lasso回归模型

以长三角碳排放量为因变量，长三角新能源汽车市场保有量、新能源汽车市场销量和新能源汽车充电桩数量为变量，建立Lasso回归模型。Lasso回归模型可以同时预测多个相互独立的变量。其基本原理是消除或者减少模型中的噪声变量，以降低模型的复杂度，从而提高模型的性能和预测的准确性。

Figure 2. Cross validation diagram of Lasso regression for four indicators

图2. 四个指标的Lasso回归交叉验证图

如图2所示，为使得均方误差最小确定 $\lambda =0.222$ ， $\log \left(\lambda \right)=-1.504$ 。

Figure 3. Regression coefficient graph between λ and model

图3. λ与模型的回归系数图

Table 1. Coefficient table of Lasso model

表1. Lasso模型系数表

图3展示了随着λ的对数值变化，模型系数变化的情况。表1为该Lasso模型系数表，展示了模型系数的值。

模型的标准化公式：

$y=1574.353+0.208\times 保有量+5.243\times 充电桩数量-1.825\times 销量$

Figure 4. Regression relationship among market ownership, sales volume and number of charging station

图4. 新能源汽车的市场保有量、销量、充电桩数量之间的回归关系

图4展示了新能源汽车的市场保有量、销量、充电桩数量之间的回归关系。

Figure 5. Lasso model results of carbon emissions in the Yangtze River Delta Region

图5. 长三角地区碳排放的Lasso模型结果图

图5展示了本次模型的原始数据图、模型拟合值、模型预测值。

基于2016年到2022年的长三角碳排放数据、新能源汽车市场保有量、新能源汽车市场销量、新能源汽车充电桩数量，我们对其4个数据进行灰度预测计算它们25年后的数据。由于我们已经通过Lasso回归模型得到了碳排放与充电桩数量、新能源汽车市场保有量和新能源汽车销量的关系，因此我们可以将3个量的未来25年的数据代入关系式，进而得到碳排放未来25年的数据，并能得知其趋势。

首先我们进行灰度预测，对充电桩数量、新能源汽车市场保有量和新能源汽车销量分别进行灰度预测，未来25年的值如表2所示，再将三者的数据代入关系式：

$y=1574.353+0.208\times 保有量+5.243\times 充电桩数量-1.825\times 销量$

我们即可得到y的数值，即碳排放的数据，如表2所示。

Table 2. Forecast of the population, number of charging station, sales volume and carbon emissions in the next 25 years

表2. 未来25年的保有量、充电桩数量、销量、碳排放

由表2，我们可以清晰地看到充电桩数量、新能源汽车市场保有量和新能源汽车销量在未来25年内的值，都在随着年份的增长而逐渐增长，并增长的趋势逐渐加快。碳排放一开始的数据也是逐年增长，但是在2042年，碳排放数据达到了最高值1832.558305万吨，随后碳排放数据开始慢慢减少，这表示着长三角地区将在2042年达到碳中和碳达峰。

为验证结果准确性，我们与其他文献的预测结果进行了对比。在《关于长三角区域碳达峰目标及路径的研究》文献的结果中显示，在基准情景下，长三角地区在2030年前碳排放量都难以达峰，与本文时间线贴合。而且，在《异质性视角下长三角城市群碳达峰影响因素研究》文献的结果中预测，在2019~2040年期间，长三角地区二氧化碳排放总量明显呈现先上升至达峰再下降的排放趋势，且时间拐点大都在2036年左右，与本文误差较小。综上所述，本文的结果准确性高。

4. 总结

随着气候变暖、大气污染等问题的日益凸显，新能源相关产业快速发展。新能源汽车作为交通运输领域的绿色低碳产品，近年来在汽车市场上的占有率不断攀升，新能源汽车产业作为一个战略性新兴产业，推动科技进步和产业升级，带动了上下游产业链的发展，实现了制造业绿色发展。

在经济飞速增长的背景下，为加快构建绿色低碳循环的工业体系，促进长三角可持续发展和绿色能源的使用，长三角一体化更好地进行了资源整合利用，优化资源配置，实现高效快速的发展。新能源汽车的发展对双碳目标的实现具有积极推动作用。与此同时，长三角地区通过合理布局产业体系，优化配置资源，灵活地应对了市场变化，长三角区域内的整车和上下游产业链企业不断提升竞争力，近年来，新能源汽车企业聚焦低能耗、低排放、长续航等要求，加大核心技术的研发力度，随着新能源汽车市场需求不断扩大，新能源汽车市场蓬勃发展。

首先我们可以得到，最近23年长三角地区以及长三角地区的四个省份的碳排放量数据。我们可以很清晰地看到，在一开始的年份碳排放量增长速度非常快，尤其在2000年到2013年。但是自2014年开始，增长速度开始平缓，而刚好在2014年开始新能源汽车产业逐渐得到重视，所以我们可以轻易得出新能源汽车的发展是对碳排放有抑制作用，即新能源汽车的发展对双碳目标的实现具有积极推动作用。

接着我们进行了Lasso回归模型，对碳排放与充电桩数量、新能源汽车市场保有量和新能源汽车销量的关系进行了推断，得到了关系式，再对充电桩数量、新能源汽车市场保有量和新能源汽车销量未来25年的数据进行灰度预测，重新代回关系式得到了碳排放未来25年的数据，得知了在2042年，长三角地区的碳排放将达到碳中和碳达峰。